FR2642885A1 - Echantillonneur-bloqueur hyperfrequence a transistor - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un échantillonneur-bloqueur hyperfréquence 1 GHz comportant un transistor à effet de champ, sur lequel est appliqué un signal d'entrée, et une capacité mémoire. Le transistor 6 est en matériaux du groupe III-V, tels que GaAs ou InP, et sa région de canal est commandée par une commande optique composée d'une fibre optique 8 et d'un laser semi-conducteur 9 pulsé. En vue de diminuer le temps de basculement du transistor 6, celui-ci et le laser 9 sont tous deux polarisés en des points proches de leurs seuils. Application en traitement de signal, à des fréquences de l'ordre de 1 GHz.
Description
ECHANTILLONNEUR-BLOQUEUR
HYPERFREQUENCE A TRANSISTOR.
La présente invention concerne un échantillonneur-bloqueur dont l'interrupteur d'échantillonnage est un transistor à effet de champ. Il est caractérisé en ce que le transistor est A commande optique, soit au moyen d'un laser semiconducteur directement couplé à la région de grille du transistor, soit au moyen d'un laser et d'une fibre optique. La commande optique du transistor, qui est en matériaux III-V tels que GaAs ou InP, permet à l'échantillonneur-bloqueur de
travailler à des fréquences de l'ordre de 1 GHz au moins.
Les échantillonneurs-bloqueurs à transistor tel que celui représenté en figure i sont bien connus. Un signal analogique - symbolisé par une sinusoïde - est appliqué à l'entrée 1 de l'échantillonneur, sur la source d'un transistor 2 qui sert d'interrupteur. Ce transistor est fréquemment à effet de champ, et il peut être en silicium ou en matériaux III-V tel que GaAs, selon la fréquence de travail. Lorsque le transistor 2
est conducteur, le signal charge une capacité 3 de mémorisation.
Un interface de sortie 4 délivre sur la sortie 5 des valeurs échantillonnées qui sont, selon la nature de l'interface, amplifiées, ou numérisées, ou mixées avec d'autres valeurs etc... Le transistor 2 est commandé sur sa grille par un train d'impulsions représentées par une tension Vi. La grille et la source sont réunies par une charge R pour que, en période de suivi, les potentiels de grille et de source soient égaux. Dans ce système classique, les paires électrons-trous
sont créees par voie électrique.
En fait, ce système qui convient parfaitement aux fréquences relativement basses - en mégahertz- souffre de défauts qui s'aggravent avee l'augmentation de fréquence. En effet, la tension VGS entre la grille et la source, qui commande l'ouverture et la fermeture du canal, est la somme de la tension du signal analogique et de la tension d'impulsion Vi. Selon que le signal analogique est échantillonné en un point o sa tension VM est proche du maximum, ou en un point o sa tension Vm est proche du minimum, la tension VGS varie parce que VM + Vi = Vm + V.. Il en résulte une incertitude sur le moment de basculement du transistor 2, donc une incertitude sur le moment d'échantillonnage du signal analogique, d'o il découle
que le transistor perd sa linéarité avec l'élévation de fréquence.
Par ailleurs, le développement des fibres optiques pour transmettre l'information est à l'origine de l'intérêt croissant de disposer de systèmes directement commandés par la lumière. En outre, la commande optique de dispositifs possède de nombreux avantages tels que l'absence de couplage électrique et l'isolation du circuit de commande, la faible amplitude du signal de commande optique- quelques microwatts- compatible avec les niveaux de sortie des lasers à semiconducteurs ou des
diodes électroluminescentes et l'immunité au brouillage.
Or, il est connu que les matériaux du groupe III-V tels que GaAs, InP et leurs dérivés ternaires et quaternaires sont sensibles à un rayonnement lumineux de longueur d'onde appropriée, ce qui ouvre des perspectives à l'utilisation de systèmes dans lesquels des circuits intégrés traitent
simultanément des signaux optiques et des signaux électroniques.
C'est donc un premier objet de l'invention de proposer un échantillonneurbloqueur comportant un transistor en matériaux du groupe III-V commandé par une lumière de longueur d'onde appropriée. Sur la grille du transistor est appliquée une tension très voisine de la somme de sa tension de seuil et de Vm: le basculement du transistor est commandé par
un rayon lumineux issu d'un laser semiconducteur.
C'est un second objet de l'invention d'obtenir un échantillonneurbloqueur ayant une grande linéarité de réponse, et une grande vitesse d'échantillonnage, parce qu'il n'y a plus d'incertitude sur le moment de basculement de l'interrupteur que
constitue le transistor.
Un autre objet de l'invention est encore d'obtenir une excellente immunité aux rayonnements électromagnétiques et aux parasites électriques, puisque la commande de
l'échantillonneur-bloqueur est optique.
Enfin, l'échantillonneur-bloqueur selon l'invention est intégrable sur la pastille d'un circuit intégré, et la puissance optique nécessaire pour l'actionner est inférieure à celle délivrée par un laser semiconducteur, et la puissance consommée par ce laser est inférieure à celle consommée par un
montage électronique réalisant la même fonction.
De facçon plus précise l'invention consiste en un échantillonneurbloqueur hyperfréquence, comportant un interrupteur placé entre l'entrée d'un signal électrique et une capacité de mémorisation, cet échantilIonneur-bloqueur étant caractérisé en ce que l'interrupteur est un transistor à effet
de champ, muni d'une commande optique sur sa région de canal.
L'invention sera mieux comprise par la description
plus détaillée qui est donnée d'un exemple de réalisation, en s'appuyant sur les figures jointes en annexe, qui représentent: - figure i: échantillonneur-bloqueur selon l'art connu, précédemment décrit, - figure 2 échantillonneur-bloqueur selon l'invention, - figure 3 schéma en plan des métallisations d'un transistor interrupteur dans un échantillonneurbloqueur selon l'invention, - figure 4: courbe de réponse d'un laser semiconducteur utilisé pour commander le transistor d'un échantillonneurbloqueur selon l'invention. Le schéma de principe d'un échantlllonneurbloqueur selon l'invention est donné en figure 2. Comme dans l'art connu, un signal analogique présent sur l'entrée 1 est mémorisé dans une capacité 3 lorsque l'interrupteur 6 est conducteur pendant un temps très court. Un interface de sortie 4 traite les échantillons stockés dans la capacité 3 et les délivre sur la
sortie 5.
L'originalité de cet échantillonneur-bloqueur est que l'interrupteur 6 est un transistor à commande optique. Ce transistor est réalisé en matériaux III-V, dont les plus utilisés sont GaAs, AlxGal xAs et InP. C'est donc un transistor à effet de champ, dont la structure interne n'a pas à être détaillée içi: ce peut être un MESFET, ou un transistor à hétérojonction tel qu'un TEGFET, et il peut être normalement bloqué, ou normalement passant, à condition d'être polarisé par une tension de grille suffisante pour pincer le canal. La caractéristique principale demandée à ce transistor est d'être
sensible à la lumière, et d'avoir une fréquence de coupure élevée.
La distinction entre les différents types d'absorption dans le matériau semiconducteur est liée à l'énergie du faisceau lumineux incident par rapport à la Iargeur de la bande interdite i5
du matériau.
Ainsi lorsque l'énergie du rayonnement incident est égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite du
matériau (ho)> Eg), il y a absorption intrinsèque de la lumière.
Des électrons sont transférés de la bande de conduction avec conservation du moment dans le cas de la transition directe interbandes. Le seuil d'absorption caractérise l'énergie du
rayonnement incident pour lequel on a hi) = Eg.
L'absorption intrinsèque se produit lorsque la longueur d'onde du rayonnement incident est telle que XA (nm) < K Eg (ev)
K étant un coefficient.
GaAs est sensible à un rayonnement lumineux pour lequel)X < 869 nm (à 300 K), et InP est sensible à un
rayonnement X < 1500 nm.
Le coefficient d'absorption caractérise la décroissance du flux incident de photons dans la direction de propagation du rayonnement lumineux à travers la couche active du transistor. Ce coefficient d'absorption est une fonction décroissante du dopage, et la couche active du transistor doit
donc être fortement dopée, > 1018 at. cm-3.
Le transistor 6 est polarisé, par une tension continue Vp appliquée sur sa grille par une métallisation 7, de telle façon qu'en l'absence d'éclairement il soit en un point proche mais inférieur à la somme de sa tension de seuil et de V: le m transistor est bloqué, et le signal d'entrée en 1 est isolé de
la capacité de mémorisation 3.
Mais la région de canal du transistor 6 est en outre commandée par un faisceau optique, schématisé. sur la figure 2 par une fibre optique 8 qui transmet le rayonnement produit par
un laser semiconducteur 9.
Bien entendu, la commande optique peut être différente: par couplage direct d'un laser et d'un transistor, ou par une autre source de rayonnement qu'un laser semiconducteur: la fibre optique est seulement un moyen de couplage commode entre une source lumineuse et la région de
canal d'un transistor.
Lorsque le laser 9 émet un rayonnement pulsé, à une longueur d'onde en relation avec le matériau du transistor, le signal optique crée dans la zone déplétée du transistor des paires électrons-trous qui assurent la circulation d'un courant entre source et drain du transistor, permettant la charge ou la décharge de la capacité 3 de mémorisation jusqu'à recopie
parfaite de la tension d'entrée.
Pendant l'extinction du laser 9, le transistor 6 est dans l'obscurité, et. le signal d'entrée en 1 est Isolé de la capacité mémoire 3: le dispositif 4 qui suit l'échantillonneur-bloqueur traduit la valeur exacte de la
tension mémorisée dans la capacité 3.
L'échantillonneur-bloqueur selon - l'invention ne
nécessite pas une géométrie particulière pour le transistor 6.
En effet, la fréquence d'échantillonnage obtenue, 1 GHz, est déjà en progrès par rapport aux échantillonneurs connus, mais elle est limitée par le temps de charge de la capacité 3, égal à
Ron C, Ron étant la résistance passante et C la capacité.
Par conséquent, un transistor 6 qui a une fréquence de coupure supérieure à. 1 GHz convient. On sait que la fréquence de coupure d'un transistor est en partie fonction de la distance drain-source. Sur la figure 3, qui représente une vue en plan des métallisations de drain, grille et source du transistor 6, on voit que les distances "d" entre drain et grille et entre grille et source sont suffisantes pour permettre l'éclairement des couches sous-jacentes du canal, tout au moins
dans le domaine de fréquences cité, 1 GHz.
Il a été dit que le transistor 6 est polarisé par une tension Vp de façon à être très proche de son point de basculement passant/bloqué. Pour améliorer le système, et annuler l'incertitude à l'ouverture du transistor 6, le laser 9
est lui aussi maintenu proche de son seuil émissif.
On sait -figure 4- que la puissance optique P émise par un laser semiconducteur est quasiment nulle Jusqu'à une intensité i0, dite de seuil, du courant I injecté dans le laser. Au delà de cette intensité i0, la puissance optique émise croit très rapidement. Puisque le laser 9 doit émettre en pulsé, pour ouvrir puis fermer alternativement l'interrupteur 6, le courant pulsé qui traverse le laser a une valeur basse égale à ou très proche de 0: dès qu'arrive une impulsion de courant ic, le laser émet, et comme le transistor 6 est lui-même proche de son seuil, il bascule. Ainsi, il n'y a pas d'incertitude sur
le moment d'ouverture ou de fermeture du canal du transistor 6.
En outre, comme il n'y a pas de liaison entre source et grille,' le temps de basculement du transistor 6 est
indépendant du niveau du signal d'entrée.
Si une fibre optique, ou un élément de fibre optique, est utilisée pour coupler le laser 9 et le transistor 6, les fibres multimodes, de diamètre de coeur de l'ordre de 50 microns sont préférentiellement utilisées à 869 nm avec GaAs, et les fibres monomodes, de diamètre de coeur de l'ordre de 9 microns,
sont préférentiellement utilisées à 1500 nm, avec InP.
L'échantillonneur-bloqueur selon l'invention est utilisé en instrumentation, en traitement de données par des circuits intégrés hyperfréquenees, ou dans le réseau numérique
à intégration de services.
Claims (6)
1 - Echantillonneur-bloqueur hyperfréquence, comportant un interrupteur placé entre l'entrée (1) d'un signal électrique et une capacité (3) de mémorisation, cet échantillonneur-bloqueur étant caractérisé en ce que l'interrupteur est un transistor (6) à effet de champ, muni
d'une commande optique (8,9) sur sa région de canal.
2 - Echantillonneur-bloqueur selon la revendication 1, caractérisé en ee que le transistor (6) comporte au moins une région de canal réalisée en matériaux du groupe III-V, tels que
GaAs, InP, et leurs alliages ternaires et quaternaires.
3 - Echantillonneur-bloqueur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor (6) est polarisé sur sa grille par une tension continue Vp qui maintient le transistor en un point proche de sa tension de seuil, indépendemment de la
valeur du signal d'entrée.
4 - Echantillonneur-bloqueur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande optique de la région de canal du transistor (6), qui s'ajoute à la polarisation continue de la grille, est composée d'un élément de fibre optique (8) et d'un laser semiconducteur (9) pulsé à la fréquence d'échantillonnage
de l'échantillonneur-bloqueur.
- Echantillonneur-bloqueur selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le cas o le transistor (6) est réalisé en GaAs ou ses alliages, le laser (9) émet un
rayonnement pulsé de longueur d'onde < 869 nm.
6 - Echantillonneur-bloqueur selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le cas o le transistor (6) est réalisé en InP ou ses alliages, le laser (9) émet un rayonnement
pulsé de longueur d'onde < 1500 nm.
7 - Echantillonneur-bloqueur selon la revendication 4, caractérisé en ce que, en vue de diminuer l'incertitude sur le temps de basculement du transistor (6), le laser semiconducteur (9) est polarisé par un courant continu (io) correspondant à son
seuil d'émission optique.
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